T 细胞在不同组织中经历不同的机械信号。David Mooney 领导的哈佛大学 Wyss 研究所和哈佛 SEAS 的研究人员设计了一种模仿组织的水凝胶模型，结果表明，更具弹性的组织会诱导 T 细胞成为具有强大肿瘤杀伤潜力的效应样 T 细胞，而更粘稠的组织会诱导它们成为具有强大肿瘤杀伤潜力的效应样 T 细胞。记忆样T细胞。这一新概念可以通过在培养皿中产生所需的患者特异性 T 细胞群来帮助推进适应性 T 细胞疗法，这些 T 细胞群在输回同一患者体内时可以提供更强的效果。研究结果发表在《自然生物医学工程》上。
过继性 T 细胞疗法是一种免疫疗法，从患者身上收集免疫 T 细胞，在体外增强，然后回输回同一患者体内，特别是针对血癌，该疗法的成功运动正在进行中。但提高创建具有特定特征和功能的患者特异性 T 细胞群的能力可以拓宽临床医生的 T 细胞疗法库。
实现这一目标的一种方法是更好地了解 T 细胞的特征和功能，包括它们对不需要的靶细胞（效应 T 细胞）的细胞毒性作用，或者它们再次出现时召回和消除它们的能力（记忆 T 细胞），其形状是由它们在渗透时遇到的组织的机械阻力决定的。组织（例如骨骼、肌肉、不同内脏器官和血液）的力学特征可能差异很大，并且病理组织（例如肿瘤块或纤维化组织）在力学上与健康组织显着不同。
现在，哈佛大学威斯仿生工程研究所和哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 的一个研究小组，由威斯核心教员 David Mooney 博士领导，采用了一种新型生物材料方法研究组织力学对 T 细胞状态的影响。通过设计细胞外基质 (ECM) 的 3 维模型（由负责组织不同刚度和粘弹性的细胞产生），他们能够独立调整这两个参数。这使他们能够在体外和体内证明组织粘弹性对 T 细胞发育和功能的明显影响，并确定驱动该现象的分子途径。研究结果报告于自然生物医学工程。
机械阻力以“刚度”和“粘弹性”的形式出现，“刚度”是组织（或任何材料）对瞬时变形的抵抗力，而“粘弹性”是组织在变形后随着时间的推移表现出的松弛类型。用物理术语解释，粘性（流体）材料（例如蜂蜜）更容易流动，而弹性（固体）材料则更快地恢复到其原始形状，例如拉伸后的橡皮筋 - 这对于组织来说也是如此由固体和液体两部分组成。
“重要的是，在不同系统中训练的 T 细胞的表型、功能和基因表达程序与我们在癌症或纤维化患者机械上不同的组织中发现的 T 细胞的表型、功能和基因表达程序有很好的相关性，”Mooney 说，他也是 RobertP. . Pinkas Family 生物工程学教授，SEAS 教授，领导 Wyss 研究所的免疫材料计划。“我们的研究为未来的策略提供了概念基础，旨在通过选择性地调整基于生物材料的工程细胞培养系统提供的机械输入，为过继疗法创建功能独特的 T 细胞群。”
在培养皿中模拟组织力学
他们发现的关键是该团队设计了一个可调谐 ECM 模型，在该模型中，他们专注于一种胶原蛋白，他们发现这种胶原蛋白是决定不同组织机械行为的关键。胶原蛋白是一种主要的 ECM 蛋白质，几乎由体内所有细胞分泌。单个胶原蛋白分子自然地组织成卷曲的原纤维，这些原纤维通过自身的化学交联进一步聚集成纤维。每根原纤维可以被认为是一个机械弹簧，每根纤维可以被认为是弹簧的集合。ECM 的刚度取决于其胶原蛋白分子堆积的密度，而其独特的粘弹性取决于胶原蛋白分子彼此交联的密度。
为了模仿基于天然胶原蛋白的 ECM，该团队制造了水凝胶，他们可以通过改变胶原蛋白分子的浓度来调节其刚度：胶原蛋白分子数量越少，刚度越低，数量越多，刚度越高。独立地，通过改变进一步将胶原蛋白分子网络化的合成交联剂分子的量，可以调节粘弹性。高度交联的胶原蛋白分子产生更具弹性的水凝胶。由此产生的模仿 ECM 的水凝胶同样允许预激活的 T 细胞附着，但重要的是，可以用特定的机械信号刺激它们。
“据我们所知，这是第一个 ECM 模型，允许研究人员研究与粘弹性解耦的刚度 T 细胞，从而使我们和其他人在未来能够研究免疫细胞和其他细胞如何受到机械调节，”共同第一说作者 Yutong Liu 博士，Mooney 课题组的研究生。“该系统明确且均匀的机械刺激与通常培养 T 细胞的方式有很大不同——附着在培养皿底部的细胞会遇到高度非弹性的表面，而那些保留在悬浮液中的细胞则被粘性介质包围。”
机械作用的自然后果
该团队对暴露于不同粘弹性条件的 T 细胞进行了广泛的分析。“经历了更有弹性的胶原基质的 T 细胞更有可能发育成‘效应样 T 细胞’，而经历了更粘稠的 ECM 基质的 T 细胞反而变成了‘记忆样 T 细胞’，”共同第一作者说Kwasi Adu-Berchie 博士，完成了博士学位。在 Mooney 的实验室工作，目前是 Wyss 研究所的转化免疫治疗科学家。“重要的是，我们发现 T 细胞的状态是由基质的粘弹性产生的，尤其是由弹性更大、粘性较小的水凝胶产生的，会成为长期印记，因为细胞在转移到特定基质后保留了对该特定基质的记忆。一种不同的。这可能对未来的电池制造产生广泛的影响。
基因表达分析使研究小组发现了一种称为 AP-1 的转录因子的活性，该转录因子将 T 细胞对更具弹性、粘性较小的机械环境的接收与更像效应器的基因表达程序联系起来。具有特定成分的 AP-1 复合物的数量增加，并且依赖于它们表达的基因被富集，不仅在从更有弹性的水凝胶中分离的 T 细胞中，而且在从患者的癌症和纤维化组织中分离的 T 细胞中，比邻近的健康组织更硬、更有弹性。当他们用药物抑制 AP-1 的一种成分时，弹性更强的胶原蛋白基质对 T 细胞的影响就被阻止了。
为了研究不同的机械刺激和 T 细胞预测的基因表达特征如何转化为实际的特征和功能，研究小组使用了治疗性 CAR-T 细胞，该细胞经过工程改造，可结合人类淋巴瘤细胞系的特定抗原。体外在更有弹性的胶原基质中刺激的CAR-T细胞表现出更强的杀伤淋巴瘤细胞的能力。同样在体内，在更有弹性的基质中刺激的 CAR-T 细胞，并过继转移到患有相同类型淋巴瘤的小鼠体内，与暴露于弹性基质较小。
“这项研究融合了三个看似不同的领域：生物材料、免疫治疗和机械生物学，以开发一种全新形式的基于生物材料的机械治疗。很容易看出这些发现如何可能开辟新途径，以改善患者的过继性 T 细胞疗法